深度學(xué)習(xí)理論下基于計算思維培養(yǎng)的中學(xué)程序設(shè)計教學(xué)研究

一、問題提出2022年版義務(wù)教育《信息科技課程標準》闡述了信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)，其中計算思維是指個體運用計算機科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法涉及等思維活動。具備計算思維的學(xué)生，能對問題進行抽象、分解、建模，并通過涉及算法形成解決方案；能嘗試模擬、仿真、驗證解決問題的過程，反思、優(yōu)化解決問題方案，并將其遷移運用于解決其他問題[1]。中學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計教學(xué)能有效培養(yǎng)學(xué)生計算思維，但實踐教學(xué)中往往容易出現(xiàn)以下問題：學(xué)生學(xué)習(xí)了程序設(shè)計后，遷移應(yīng)用能力差，遺忘率高。根據(jù)深度學(xué)習(xí)的理論，深度學(xué)習(xí)是在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心的參與，體驗成功、獲得發(fā)展的學(xué)習(xí)過程。如何讓學(xué)生積極參與程序設(shè)計的學(xué)習(xí)，全身心投入，獲得有意義的學(xué)習(xí)的同時提高計算思維能力？作者在深度學(xué)習(xí)的理論指導(dǎo)下，開展相關(guān)研究。二、深度學(xué)習(xí)理論下的中學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計教學(xué)（一）深度學(xué)習(xí)內(nèi)涵與特征郭華[2]認為深度學(xué)習(xí)是在教學(xué)中，學(xué)生積極參與、全身心投入、獲得健康發(fā)展的、有意義的學(xué)習(xí)過程。在這個過程中，學(xué)生在素養(yǎng)導(dǎo)向?qū)W習(xí)目標的引領(lǐng)下、聚焦引領(lǐng)性學(xué)習(xí)主題、展開有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)與活動，掌握學(xué)科基礎(chǔ)知識與基本方法、體會學(xué)科基本思想、建構(gòu)知識結(jié)構(gòu)、理解并評判學(xué)習(xí)內(nèi)容與過程；能夠綜合運用知識和方法創(chuàng)造性地解決問題，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動機、高級的社會性情感和正確的價值觀，成為既有扎實學(xué)識基礎(chǔ)、又有獨立思考能力，善于合作、有社會責(zé)任感、具備創(chuàng)新精神和實踐能力、能夠創(chuàng)造美好未來的社會實踐的主人。在此基礎(chǔ)上，郭華總結(jié)提煉了深度學(xué)習(xí)的五個特征：活動與體驗、聯(lián)想與結(jié)構(gòu)、本質(zhì)與變式、遷移與創(chuàng)造、價值與評判。（二）指向深度學(xué)習(xí)的中學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計教學(xué)特征計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計、理解人類行為等一系列思維活動[3]。其本質(zhì)就是自動化和抽象，它是一種運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題、設(shè)計系統(tǒng)和理解人類的行為，涵蓋了反應(yīng)計算機科學(xué)廣泛性的一系列思維活動[4]。將抽象和自動化與程序設(shè)計結(jié)合起來開展教學(xué)是培養(yǎng)計算思維的很好途徑。指向深度學(xué)習(xí)的中學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計教學(xué)是高效的學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)的課堂，學(xué)習(xí)的結(jié)果不僅包括信息技術(shù)知識技能、操作的過程與方法，還包括學(xué)生積極運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問題的習(xí)慣和態(tài)度養(yǎng)成。結(jié)合深度學(xué)習(xí)的五個特征，筆者提出中學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計具有以下特征：1.創(chuàng)設(shè)生活化學(xué)習(xí)情景，建立程序設(shè)計學(xué)習(xí)與學(xué)生經(jīng)驗的關(guān)聯(lián)“聯(lián)想與結(jié)構(gòu)”特征處理的是外在知識與學(xué)生經(jīng)驗之間的轉(zhuǎn)化問題，強調(diào)當(dāng)下的學(xué)習(xí)內(nèi)容與已有的經(jīng)驗建立起結(jié)構(gòu)性的關(guān)聯(lián)，從而使知識轉(zhuǎn)化為與學(xué)生個體有關(guān)聯(lián)的、能夠操作和思考的內(nèi)容（對象）。（郭華，2021）中學(xué)學(xué)生思維從具體形象思維逐步向以抽象邏輯思維發(fā)展，但他們的抽象邏輯思維仍然在很大程度上受感性經(jīng)驗的影響。因此，教師應(yīng)該設(shè)置恰當(dāng)?shù)纳罨榫?，其一可以激發(fā)學(xué)生利用信息技術(shù)解決問題的熱情，其二可以引導(dǎo)學(xué)生在真實情境中發(fā)現(xiàn)問題，提取問題的基本特征，對問題進行抽象、分解、建模、制定方案，培養(yǎng)他們利用信息技術(shù)解決問題的交互性思維能力。2.強化流程圖設(shè)計和算法比較，突顯問題解決過程的抽象化和方法多樣性“本質(zhì)與變式”特征強調(diào)教學(xué)要著眼學(xué)科的基本思想和基本方法。（郭華，2021）抽象是計算思維的本質(zhì)之一，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會把實際問題抽象化處理。流程圖是實現(xiàn)問題抽查處理的關(guān)鍵，有利于學(xué)生自我構(gòu)建知識，提升能力。由于中學(xué)學(xué)生認知水平比較低，還處于發(fā)展階段，教師需要在程序設(shè)計過程中“給學(xué)生扶一把”，加強學(xué)生程序設(shè)計方法的指導(dǎo)，特別是利用流程圖來提高對程序的認識。在此階段，教師將時間交給了學(xué)生，學(xué)生可以以自己的學(xué)習(xí)方式，結(jié)合教師提供的學(xué)習(xí)資源進行自主探究，設(shè)計程序運行的流程圖。在自主學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以邊做邊學(xué)，可以先學(xué)后做，也可以先做后學(xué)，遇到學(xué)習(xí)疑難可以查閱課堂相應(yīng)章節(jié)內(nèi)容知識，也可以觀看教師在學(xué)習(xí)平臺上提供的學(xué)習(xí)微視頻。這些微視頻都是教師依據(jù)先進教育理念，精心設(shè)計的，能直觀形象地幫助學(xué)生掌握信息技術(shù)方法步驟原理等知識。教師可以讓學(xué)生養(yǎng)成查閱課本、觀看微課、請教同學(xué)等這些學(xué)習(xí)方法，從而良好的求知習(xí)慣。在描述算法的時候，教師允許不同學(xué)生有不同的解題思路，并充分開展討論，比較不同算法的優(yōu)越性。教師指導(dǎo)學(xué)生時候注意，強調(diào)算法不是單一的，解決問題的辦法有很多，需要采取最合適的方法。并對數(shù)學(xué)方法和信息技術(shù)解決問題的方法進行比較，充分領(lǐng)會信息技術(shù)解決問題的靈活性。3.以項目貫穿教學(xué)，在問題解決中培養(yǎng)計算思維單一的程序設(shè)計語言學(xué)習(xí)往往知識內(nèi)容比較多，也比較枯燥，學(xué)生學(xué)了程序設(shè)計不能應(yīng)用，因此總是處于被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)。而計算思維的培養(yǎng)，要求學(xué)生要主動探究問題解決方案，分析問題，形成解決方案?！盎顒优c體驗”是指向深度學(xué)習(xí)的教學(xué)的根本特征。這一特征強調(diào)學(xué)生作為主體的主動活動，讓學(xué)習(xí)真正發(fā)生。（郭華，2021）為了讓學(xué)生作為主體全部身心投入程序設(shè)計活動中，教師可以通過項目式教學(xué)：首先是項目式學(xué)習(xí)是源于真實問題的，學(xué)生更有興趣利用所學(xué)的知識去解決問題；其次，通過項目式學(xué)習(xí)活動，學(xué)生主動去分析問題，解決問題，養(yǎng)成合作學(xué)習(xí)的習(xí)慣；項目式學(xué)習(xí)屬于開放型任務(wù)，任務(wù)自由度高，學(xué)生發(fā)揮空間較大，對學(xué)生的能力提升有很大幫助。教師充當(dāng)項目式學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者，保證項目式學(xué)習(xí)活動有序進行。當(dāng)出現(xiàn)大家都不能解決的問題時，教師及時點撥提示；當(dāng)學(xué)生表現(xiàn)良好時，教師及時表揚激勵，以保證學(xué)生有充足和持續(xù)的學(xué)習(xí)興趣，驅(qū)動學(xué)生繼續(xù)向前學(xué)習(xí)，保證學(xué)習(xí)活動順利進行。每一個項目活動結(jié)束后，鼓勵學(xué)生進行學(xué)習(xí)成果展示，并介紹自己學(xué)習(xí)過程；讓學(xué)生提出自主學(xué)習(xí)過程中遇到的疑難問題，并讓大家對這些問題就行討論，發(fā)表自己的意見。教師將課堂還給學(xué)生，只是作為課堂活動的監(jiān)督者和學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，在學(xué)生探索前進遇到困難時，教師需要及時發(fā)現(xiàn)并提供有效的指導(dǎo)和幫助，對他們進行啟發(fā)和誘導(dǎo)，致使其朝著正確的方向探尋合適的辦法解決問題。4.優(yōu)化評價機制，實現(xiàn)教學(xué)評一體化深度學(xué)習(xí)指出評價目標與要求的設(shè)計應(yīng)該先于教學(xué)實施，與教學(xué)設(shè)計一體化進行。程序設(shè)計教學(xué)要求學(xué)習(xí)任務(wù)應(yīng)該與評價任務(wù)整合，過程評價和結(jié)果評價并重。目前，已經(jīng)有多個地區(qū)開展了中學(xué)信息技術(shù)學(xué)業(yè)水平考試。從評價的角度看，除了結(jié)果評價，教師還要重視過程性評價。建立良好的課堂評價和作業(yè)評價機制，對學(xué)生學(xué)習(xí)表現(xiàn)、學(xué)習(xí)過程及學(xué)習(xí)成果及時評價，激發(fā)學(xué)生不斷上進的動力，增強學(xué)生自主學(xué)習(xí)的信心。運用自評、互評、他評的多維評價，技能增強評價效果，又能培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)評價的能力，提高元認知的能力。評價情境要貼近學(xué)生學(xué)習(xí)和生活，反應(yīng)真實問題。評價主體體現(xiàn)多元性，鼓勵教師、學(xué)生和家長一起參與，學(xué)生參與評價結(jié)果的判斷和解釋過程。評價內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)全面性，注重學(xué)生思維過程、情感態(tài)度等發(fā)展?fàn)顩r。如每一個項目活動結(jié)束后，鼓勵學(xué)生進行學(xué)習(xí)成果展示，并介紹自己學(xué)習(xí)過程；其他同學(xué)可以對其成果進行點評、質(zhì)疑，提出修改意見等。教師充當(dāng)項目交流展示活動的組織者，保證討論交流有序進行。當(dāng)出現(xiàn)大家都不能解決的問題時，教師及時點撥提示；當(dāng)學(xué)生表現(xiàn)良好時，教師及時表揚激勵，以保證學(xué)生有充足和持續(xù)的學(xué)習(xí)興趣，驅(qū)動學(xué)生繼續(xù)向前學(xué)習(xí)。（三）指向深度學(xué)習(xí)的中學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計教學(xué)中計算思維的培養(yǎng)因此，指向深度學(xué)習(xí)的中學(xué)信息技術(shù)程序設(shè)計教學(xué)中計算思維的培養(yǎng)，是指在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的程序設(shè)計主題，全身心的參與，體驗成功，培養(yǎng)計算思維能力的程序?qū)W習(xí)過程。在這個過程中，學(xué)生掌握計算科學(xué)的核心知識，培養(yǎng)計算思維能力，形成積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，正確的價值觀，成為未來社會所需要的人才。三、基于計算機思維培養(yǎng)的中學(xué)程序設(shè)計教學(xué)策略在深度學(xué)習(xí)理論指導(dǎo)下，中學(xué)的程序設(shè)計課堂要關(guān)注學(xué)生有沒有在教師引領(lǐng)下，“圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題”，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展?；谝陨蠈χ袑W(xué)信息技術(shù)課堂的認知，在程序設(shè)計教學(xué)策略的設(shè)計中應(yīng)該更重視學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，重視過程性評價，重視學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)?；谟嬎銠C思維培養(yǎng)的中學(xué)程序設(shè)計教學(xué)策略流程如左圖所示。教學(xué)流程分為六部分，每一步都是圍繞深度學(xué)習(xí)的目標，開展學(xué)習(xí)。第一步，創(chuàng)設(shè)情境，需求分析。創(chuàng)設(shè)生活化問題情境，提出問題，分析利用信息技術(shù)解決問題的方案。第二步，抽象描述，算法設(shè)計。把生活化問題抽象出來，分析問題解決的思路和步驟，并描述算法。第三步，交流算法，設(shè)計流程。教師引導(dǎo)學(xué)生開展討論，交流算法。在深入理解算法后，畫出程序的流程圖。前三步都充分考慮到設(shè)置生活化學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生利用程序解決實際生活中問題；考慮到學(xué)生思維的進階性，充分開展分析和討論交流。第四步，解決問題，編程實現(xiàn)。學(xué)生在教師的引導(dǎo)下編寫程序，調(diào)試運行并解決問題，教師巡查解答學(xué)生存在的問題。第五步，成果展示，交流評價。教師展示學(xué)生的程序，學(xué)生開展討論和評價。通過互相評價，進一步完善程序。第六步，課堂小結(jié)，拓展延伸。教師小結(jié)這節(jié)課的內(nèi)容，并布置課堂練習(xí)給學(xué)生進行拓展訓(xùn)練。后面三步根據(jù)深度學(xué)習(xí)需要，考慮到學(xué)生學(xué)習(xí)個性特點以及學(xué)生參與課堂的主動性要求，給與學(xué)生更多的自主編程實現(xiàn)的時間和開展互助評價時間。按照教學(xué)流程，基于深度學(xué)習(xí)的程序設(shè)計課堂，學(xué)生在教師指導(dǎo)下全身心的參與程序教學(xué)活動中，通過自主學(xué)習(xí)合作學(xué)習(xí)，有效培養(yǎng)計算思維能力，獲得全面發(fā)展的信息技術(shù)核心素養(yǎng)。一部分對計算機程序設(shè)計有偏好的學(xué)生將脫穎而出，促進學(xué)生個性發(fā)展。四、案例分析下文以中學(xué)程序設(shè)計中分支語句教學(xué)為例，對應(yīng)用該策略培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力進行具體的分析，具體的教學(xué)流程如上表所示。通過以上例子可以看到，教師在深度學(xué)習(xí)的理論指導(dǎo)下，通過選擇貼近學(xué)生生活中的程序問題來激發(fā)學(xué)生探究的興趣。在教學(xué)過程中教師引導(dǎo)學(xué)生利用計算科學(xué)的概念來解決問題，開展思路分析，算法分析，制作問題解決的流程圖。通過課堂過程性記錄和評價，激發(fā)學(xué)生積極參與思考過程?！皣@著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題”，學(xué)生全身心積極參與、體驗成功、計算思維獲得發(fā)展。五、結(jié)語時代飛速發(fā)展，信息